上海水處理設(shè)備解讀：低溫脫氮工藝的研發(fā)方向
生物反應(yīng)對(duì)環(huán)境條件敏感，容易受溫度變化影響。絕大多數(shù)微生物正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃，低溫會(huì)影響微生物細(xì)胞內(nèi)酶的活性，一定溫度范圍內(nèi)，溫度每降低10℃，微生物活性將降低1倍，從而降低了對(duì)污水的處置效果。工藝投入運(yùn)行后，由于四季的交替和所處的地理位置影響，若不加以人工調(diào)控，溫度很難保持適宜。而溫度調(diào)控則會(huì)耗費(fèi)大量的能源。解決這一難題的最佳途徑就是開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的低溫生物處置工藝。
近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有一些研究涉及低溫廢水生物脫氮技術(shù)，提出了一些新方法。筆者將探討低溫對(duì)脫氮工藝的影響，比較低溫脫氮工藝的運(yùn)行戰(zhàn)略，并據(jù)此指出低溫脫氮工藝的研發(fā)方向。
1低溫對(duì)脫氮工藝的影響
溫度是影響細(xì)菌生長(zhǎng)和代謝的重要環(huán)境條件。絕大多數(shù)微生物正常生長(zhǎng)溫度為20~35℃。溫度主要是通過(guò)影響微生物細(xì)胞內(nèi)某些酶的活性而影響微生物的生長(zhǎng)和代謝速率，進(jìn)而影響污泥產(chǎn)率、污染物的去除效率和速率；溫度還會(huì)影響污染物降解途徑、中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在溶液中的溶解度，以及有可能影響到產(chǎn)氣量和成分等。低溫減弱了微生物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)性，進(jìn)而影響了物質(zhì)傳輸?shù)却x過(guò)程，并且普遍認(rèn)為低溫將會(huì)導(dǎo)致活性污泥的吸附性能和沉降性能下降，以及使微生物群落發(fā)生變化。低溫對(duì)微生物活性的抑制，不同于高溫帶來(lái)的毀滅性影響，其抑制作用通常是可恢復(fù)的
1.1硝化工藝
生物硝化反應(yīng)可以在4~45℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。氨氧化細(xì)菌（AOB最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃，亞硝酸氧化細(xì)菌（NOB最佳生長(zhǎng)溫度為25~30℃。溫度不但影響硝化菌的生長(zhǎng)，而且影響硝化菌的活性。有研究表明，硝化細(xì)菌最喜歡并適宜的生長(zhǎng)溫度為25~30℃，當(dāng)溫度小于15℃時(shí)硝化速率明顯下降，硝化細(xì)菌的活性也大幅度降低，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止。大量的研究標(biāo)明，硝化作用會(huì)受到溫度的嚴(yán)重影響，尤其是溫度沖擊的影響更加明顯。上海水處理設(shè)備由于冬季氣溫較低而未能實(shí)現(xiàn)硝化工藝穩(wěn)定運(yùn)行的案例較為罕見(jiàn)。U.Sudarno等考察了溫度變化對(duì)硝化作用的影響，結(jié)果標(biāo)明，溫度從12.5℃升至40℃，氨氧化速率增加，但當(dāng)溫度下降至6℃時(shí)，硝化菌活性很低。
隨著脫氮工藝的不時(shí)發(fā)展，人們對(duì)硝化工藝提出了更高的要求，希望將硝化作用的反應(yīng)產(chǎn)物控制在亞硝酸鹽階段，作為反硝化或者厭氧氨氧化的前處理技術(shù)，可以節(jié)約曝氣能耗和添加堿量。通過(guò)對(duì)兩類硝化細(xì)菌（AOBNOB更多認(rèn)識(shí)，呈現(xiàn)了短程硝化工藝。該工藝的核心是選擇性地富集AOB先抑制再限制最后沖洗出NOB使得AOB具有較高的數(shù)量而淘汰NOB從而維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。短程硝化過(guò)程通常由控制溫度、溶解氧、pH來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度控制短程硝化的基礎(chǔ)在于兩類硝化細(xì)菌對(duì)溫度的敏感性不同，25℃以上時(shí)，AOB最大比生長(zhǎng)速率大于NOB最大比生長(zhǎng)速率。據(jù)此提出了世界上第一個(gè)工業(yè)化應(yīng)用的短程硝化工藝—SHA RON工藝（溫度設(shè)置為30~40℃）因此，低溫下實(shí)現(xiàn)短程硝化頗具挑戰(zhàn)。
1.2反硝化工藝
低溫對(duì)于反硝化有顯著的抑制作用，JichengZhong等研究了太湖堆積物中的反硝化作用，經(jīng)過(guò)數(shù)月的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)反硝化速率呈現(xiàn)季節(jié)性變化。U.Weland等考察了低溫條件下（3~20℃）反硝化工藝的運(yùn)行性能，研究標(biāo)明在3℃下反應(yīng)器的反硝化速率僅為15℃下的55%相對(duì)于傳統(tǒng)的缺氧反硝化，溫度對(duì)好氧反硝化的脫氮效率影響不顯著，王弘宇等篩選出的一株好氧反硝化菌，25~35℃下都能達(dá)到大于78%脫氮效率。表1概括了不同溫度下的反硝化速率。
1.3厭氧氨氧化工藝
有學(xué)者的研究標(biāo)明，能夠進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的溫度范圍為6~43℃，最佳溫度為28~40℃。廢水生物處置中，活化能的取值范圍通常為8.37~83.68kJ/mol而厭氧氨氧化的活化能為70kJ/mol因此，厭氧氨氧化屬于對(duì)溫度變化比較敏感的反應(yīng)類型，溫度的降低對(duì)其抑制作用明顯。
低溫對(duì)厭氧氨氧化的影響很大，受低溫抑制后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。厭氧氨氧化工藝的運(yùn)行溫度從18℃降至15℃時(shí)，亞硝酸鹽不能被完全去除，導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，對(duì)厭氧氨氧化工藝有著顯著的抑制效果，從而引起連鎖效應(yīng)，使得厭氧氨氧化菌失活。J.Dosta等在研究溫度對(duì)厭氧氨氧化工藝的臨時(shí)影響時(shí)，將試驗(yàn)溫度由30℃調(diào)至15℃，只有氮容積負(fù)荷（NLR從0.3kg/m3?d大幅降低至0.04kg/m3?d才干保證出水水質(zhì)。甚至經(jīng)30d馴化仍未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，將試驗(yàn)溫度調(diào)回至30℃運(yùn)行75d后，污泥活性僅為0.02g/g?d處于較低水平。
2脫氮工藝的低溫運(yùn)行改進(jìn)方法
2.1菌種流加
菌種流加來(lái)源于發(fā)酵工藝的菌種擴(kuò)大培養(yǎng)技術(shù)。上海水處理設(shè)備菌種擴(kuò)大培養(yǎng)技術(shù)是發(fā)酵工業(yè)中廣泛采用的一種菌種應(yīng)用技術(shù)，批次發(fā)酵中，一般通過(guò)“試管→三角瓶→種子罐→發(fā)酵罐”多級(jí)擴(kuò)增，使菌量滿足生產(chǎn)需要。廢水脫氮工藝中，除裝置內(nèi)菌種自身增殖外，流加菌種有利于加快菌體積累。廢水水質(zhì)復(fù)雜，毒性物質(zhì)、基質(zhì)、pH溫度等因素的不穩(wěn)定，都會(huì)對(duì)功能菌造成抑制。受抑制條件下，微生物難以生長(zhǎng)。因此菌種流加的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。
唐崇儉等采用菌種流加式厭氧氨氧化工藝處置制藥廢水，廢水中NH4+-N和NO2--N質(zhì)量濃度分別為120~200mg/L和160~240mg/L菌種流加速率為0.028g/L?L?d容積氮去除負(fù)荷（NRR由0.1kg/m3?d提高至7.9kg/m3?d并且認(rèn)為流加菌種不只增加了反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度和厭氧氨氧化菌所占比例，可能還帶入了一些未知的生長(zhǎng)因子，才干在如此低的流加速率下，實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的高效運(yùn)行。
菌種流加有望成為低溫下運(yùn)行生物反應(yīng)器的一種有效對(duì)策。何成達(dá)的研究標(biāo)明在低溫期間為保證正常的硝化速率，需要增大反應(yīng)器的容積。通過(guò)向活性污泥系統(tǒng)投加硝化菌的方法可有效解決低溫時(shí)期需要延長(zhǎng)泥齡和加大反應(yīng)器容積的問(wèn)題。
菌種流加的操作靈活，不需要長(zhǎng)期的適應(yīng)調(diào)整時(shí)間，一種應(yīng)對(duì)低溫沖擊的快速有效方法，但是不能從根本上解決低溫下反應(yīng)器運(yùn)行效率低的問(wèn)題，僅是增加反應(yīng)器內(nèi)功能菌的數(shù)量及其在混合污泥的比例，緩解低溫對(duì)生物處理的影響，反應(yīng)器容積有限時(shí)不適合長(zhǎng)期采用。
2.2接種耐冷菌
接種物對(duì)于低溫條件下厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行具有重要的意義。耐冷菌能夠耐受溫度波動(dòng)，比較適合低溫廢水的處置。如反硝化耐冷菌—熒光假單胞菌能夠在低于10℃的條件下降解苯二甲酸，也有耐冷菌能在低溫下降解甲苯、氯酚等難降解有機(jī)物。目前的研究重點(diǎn)關(guān)注了接種耐冷菌在低溫產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中的意義，如賁岳等為確保寒冷地區(qū)污水生物處置系統(tǒng)的有效運(yùn)行，接種耐冷微生物，用于生活污水的處置，6~10℃下，勝利地去除污水中86.7%COD左劍惡等關(guān)注了嗜冷產(chǎn)甲烷菌及其在廢水厭氧處理中的應(yīng)用，從分離培養(yǎng)及生理生化特性、適冷機(jī)制和分子生物學(xué)研究等方面，對(duì)嗜冷產(chǎn)甲烷菌的研究進(jìn)展進(jìn)行了全面的綜述，并指出接種物對(duì)于低溫條件下厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)很重要。
氨氧化古菌（AOA 一類能夠在低溫下保持活性的古細(xì)菌。如果能將AOA 應(yīng)用到低溫廢水的生物處置中，將會(huì)推動(dòng)生物脫氮工藝的發(fā)展。這可以作為今后研究的一個(gè)重要方向。
2.3生物固定化
經(jīng)固定化處理后，微生物的抗逆性能提高，能耐受外界環(huán)境的變化，從而堅(jiān)持了較高的活性。此外，微生物經(jīng)包埋固定后持留能力得以增強(qiáng)，可望實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和高效穩(wěn)定運(yùn)行。
通過(guò)固定化可以削弱溫度變化對(duì)硝化作用的影響。張爽等研究了固定化硝化菌在不同溫度下對(duì)氨氮的去除效能，采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定常溫富集培養(yǎng)的含耐冷菌的硝化污泥，用于處置常溫和低溫生活污水。結(jié)果標(biāo)明，經(jīng)過(guò)固定化處理的硝化菌群即使在低溫條件下，上海水處理設(shè)備也表現(xiàn)出了較高的硝化效率（＞80%也有學(xué)者開(kāi)展了固定化反硝化細(xì)菌脫氮的研究，結(jié)果標(biāo)明，經(jīng)過(guò)固定化處理，提高了反硝化細(xì)菌對(duì)溫度的適應(yīng)性，固定化反硝化細(xì)菌對(duì)高濃度的銨離子和低溫的耐受性增加。B.K.Pathak等在低溫厭氧氨氧化的研究中通過(guò)接種固定化微生物和厭氧顆粒污泥處置低含氮廢水，20℃下勝利啟動(dòng)厭氧氨氧化，NRR達(dá)到16.22g/m3?d總氮去除率為92%L.M.Quan等以聚乙烯醇（PVA 凝膠和1%藻酸作為厭氧氨氧化菌的包埋材料，25±0.5℃時(shí)，厭氧氨氧化工藝的NRR達(dá)到8.0kg/m3?d
固定化是一種有效的技術(shù)手段，然而也會(huì)使微生物活性有所降低，且固定化后，傳質(zhì)阻力會(huì)增大，氧的傳質(zhì)阻礙尤為明顯，固定化更能在厭氧條件下發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。此外，其成本也有待技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。
2.4馴化
馴化就是人為的某一特定環(huán)境條件臨時(shí)處置某一微生物群體，同時(shí)不時(shí)將它進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老育種方法。微生物的馴化是脫氮工藝運(yùn)用到低溫環(huán)境中的重要措施，使微生物體內(nèi)的酶和細(xì)胞膜的脂類組成能夠適應(yīng)低溫環(huán)境，并能在低溫條件下發(fā)揮作用。大量研究標(biāo)明，通過(guò)適當(dāng)?shù)鸟Z化策略，經(jīng)歷一定的馴化時(shí)間，低溫脫氮工藝可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
R.D.Jone等認(rèn)為，如果將AOB運(yùn)行溫度從30℃直接降至5℃，會(huì)導(dǎo)致其失活。逐步降低運(yùn)行溫度，AOB可調(diào)整細(xì)胞膜中的脂肪酸類型使其在低溫條件下不易凍結(jié)。后來(lái)一些研究得到與此相悖的結(jié)論。因此有學(xué)者開(kāi)始探索低溫的馴化策略。
2.4.1逐步馴化
逐步馴化即逐步較緩慢地將工藝溫度由適宜溫度降至目標(biāo)溫度。馴化微生物適應(yīng)當(dāng)前溫度下再將其溫度降低，進(jìn)一步馴化。尚會(huì)來(lái)等采用馴化方式，逐步降低溫度，每降1℃就穩(wěn)定一個(gè)多月，半年后不刻意控制溫度，經(jīng)歷了冬季10℃的低溫，勝利地穩(wěn)定了常溫、低溫短程硝化反硝化，亞硝化率始終維持在78.8%以上。J.Dosta等通過(guò)該方法在18℃勝利啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行厭氧氨氧化工藝，但將溫度降至15℃時(shí)，工藝系統(tǒng)失穩(wěn)；并認(rèn)為優(yōu)化的操作方法應(yīng)為：先在厭氧氨氧化最適溫度下，積累足夠的厭氧氨氧化生物量，然后再緩慢馴化微生物適應(yīng)低溫條件。
2.4.2直接馴化
直接馴化就是將反應(yīng)系統(tǒng)直接置于目標(biāo)溫度下進(jìn)行馴化。K.Isaka等研究了適度的低溫（20~22℃）下，厭氧生物濾池中利用厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)高效的脫氮。通過(guò)直接將接種污泥置于20~22℃的環(huán)境下培養(yǎng)，經(jīng)過(guò)446d后，NLR達(dá)到8.1kg/m3?d還在6℃檢測(cè)到微生物厭氧氨氧化活性。NLR由22℃時(shí)的2.8kg/m3?d降至6℃的0.36kg/m3?d
楊朝暉等對(duì)比了兩種馴化戰(zhàn)略下厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)時(shí)間，接種以短程硝化-厭氧氨氧化協(xié)同作用為優(yōu)勢(shì)反應(yīng)的厭氧序批生物膜反應(yīng)器中的生物膜（溫度為31℃）置于16℃的生化培養(yǎng)箱中馴化，最快56d勝利啟動(dòng)了低溫厭氧氨氧化；接種與前者相同的生物膜，上海水處理設(shè)備首先置于31℃的生化培養(yǎng)箱中，然后以每12d降低3℃的速度為梯度逐步降溫至16℃，最慢70d馴化結(jié)束，其馴化結(jié)束的標(biāo)志是16℃的環(huán)境溫度下氨氮的去除效率在1周左右維持穩(wěn)定。
以往的研究標(biāo)明，微生物對(duì)溫度的逐步降低較為適應(yīng)，如若溫度突然降低，則易引起系統(tǒng)的失穩(wěn)；但較近的研究標(biāo)明，直接將溫度降至目標(biāo)溫度，馴化的時(shí)間可能會(huì)更短一些。對(duì)此尚需系統(tǒng)的研究來(lái)論證，試驗(yàn)現(xiàn)象面前的機(jī)理仍有待揭示。
3結(jié)論
目前低溫廢水生物脫氮技術(shù)的研究已經(jīng)引起眾多學(xué)者的興趣，很多研究結(jié)果標(biāo)明，溫度的降低會(huì)導(dǎo)致生物脫氮工藝啟動(dòng)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，處置負(fù)荷和處置效率大幅降低。通過(guò)菌種流加、接種耐冷菌、細(xì)胞固定化和馴化等有效技術(shù)手段，能夠提高低溫廢水生物脫氮工藝的高效性和穩(wěn)定性。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，低溫脫氮工藝未來(lái)的研究可以圍繞下面幾點(diǎn)展開(kāi)：
1耐冷菌的分離富集。將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于耐冷菌的篩選，將篩選出的菌種富集培養(yǎng)，用作接種物或者流加菌種，并建立菌群動(dòng)態(tài)變化指示系統(tǒng)，指導(dǎo)低溫脫氮系統(tǒng)的調(diào)控。
2加大古菌的研究力度。研究古菌的培養(yǎng)特性，將可培養(yǎng)的脫氮古菌用于廢水處置，提高系統(tǒng)對(duì)低溫和極端環(huán)境的耐受性。這方面的研究有望成為今后的熱點(diǎn)。
3菌種流加過(guò)程的優(yōu)化和控制。深入研究厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和代謝動(dòng)力學(xué)特性，獲得菌種流加的定量參數(shù)；引進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)過(guò)程的自動(dòng)化控制。
4多技術(shù)耦合。通過(guò)多種技術(shù)手段的結(jié)合，強(qiáng)化低溫生物脫氮工藝。例如在較低溫度下通過(guò)接種低溫優(yōu)勢(shì)菌實(shí)現(xiàn)了工藝啟動(dòng)后，通過(guò)菌種流加優(yōu)化低溫生物脫氮過(guò)程，提高其抗沖擊能力。
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